電動機性能虛擬儀器測試系統設計與實現

　　3.軟件結構及算法

　　3.1.軟件結構

　　電動機性能虛擬儀器測試系統總體采用一種基于TCP/IP協議的客戶機/服務器（CS）結構。服務器架構為NI cFP分布式I/O體系，利用其內嵌的獨立式實時系統實現目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實時監測和控制；客戶機則采用通用的PC機結構，運行Windows 多線程操作系統，使用LabVIEW虛擬儀器平臺，借助TCP/IP協議實現，與服務器之間控制參量及檢測數據的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實現人機交互，完成控制參數的輸入，以及檢測數據的分析、運算和圖表顯示。

　　系統操作流程為，上電后服務器自動啟動存儲器中內建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設置測試參數后，啟動測試程序；服務器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數開始實時控制與數據采集，并通過TCP/IP協議將實驗數據發送給客戶機；客戶機發出PID控制命令，并對服務器發送的實驗數據進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數據，并以圖表方式顯示實驗結果；完成測試后，客戶機發出結束測試的命令，經服務器接收確認后，結束測試。

　　3.2.PID控制算法

　　本系統試驗了3種PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法[5]。

1) 位置式PID控制算法

位置式PID控制算法描述為：其中， =0，1，2……為采樣序號； 為第 次采樣時刻的計算機輸出值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為積分系數， ； 為微分系數， ； 為比例系數； 為積分時間常數； 為微分時間常數； 為采樣周期。該算法的優點是原理簡單，只是將經典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結構簡單易于實現；缺點是每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的 對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現故障， 得大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。

2) 增量式PID控制算法

　　增量式PID控制算法描述為：其中 。該算法的優點是，由于計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換，此外當計算機發生故障時，由于輸出通道或執行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加。控制增量 的確定，僅與最近 次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積分截斷效應大，有靜態誤差；溢出的影響大。3) 積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法描述為：

　　當時，即偏差值 比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統有較快的響應。當 時，即偏差值 比較小時，采用PID控制，可保證系統的控制精度。圖4所示緯三種PID控制算法的階躍響應曲線。經過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的19.5s和增量式的16s，縮短為12s；最大超調量由位置式的36℅和增量式的25℅，縮小為18℅，具有超調小、響應速度快、穩定性能好、遇干擾回復能力強的特點，最后使用了積分分離式PID控制算法來完成對定標參量的控制。

　　該電動機性能虛擬儀器測試系統，實現了對多路并行電動工具的自動加載，扭矩、轉速、功率以及溫度實時監測，并利用TCP/IP協議實現主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數據的網絡共享；高精度數字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內轉子繞阻，測量精度可以達到6 ? 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達到0.3%。該系統具有測量精度高、運行穩定性強、并行效率高等優點，已被運用于工業現場，實際使用中運行穩定可靠，適用于多種類型電動機耐久性和綜合性能測試。